一种可分离卫星液滴的微流控芯片、阵列组合及其应用的制作方法

本发明涉及微流控，尤其涉及一种可分离卫星液滴的微流控芯片、阵列组合及其应用。

背景技术：

1、微流控制备乳液/微球是液滴微流控技术的一种重要应用。微流控技术是指在微尺度下控制流体的流动、混合和分散的技术，通过设计微流控芯片上的微通道结构，可以精确控制流体的流速、流量和混合/分散程度。在微流控制备乳液/微球中，首先将连续相和分散相分别注入微流控芯片的不同通道中，然后通过注射泵控制两者的流速和流量，分散相在微流控芯片中被剪切成微液滴分散在连续相中。通过调节两相流速和改变流道结构，可以控制所形成乳液微液滴的粒径大小。与传统的制备乳液方法相比，微流控制备乳液具有以下优点：(1)可以精确控制连续相和分散相的流速和流量，实现精确控制微液滴的生成速率和粒径大小，确保乳液微液滴的粒径均一性；(2)微流控芯片具有微小的尺寸和高表面积，可以提高分散相和连续相的接触面积，确保制备乳液微液滴的稳定性；(3)微流控技术可以实现高度可控的微液滴制备过程，具有良好的重复性和一致性，可以保证制备出相同大小的微液滴；(4)微流控技术可以与其他微流体操作技术相结合，实现微流体芯片的集成化，可以在一个芯片上完成多个操作步骤，提高工作效率。微流控制备乳液在化学分析、食品、化妆品、生物医药等领域有着广泛的应用前景。

2、利用微流控方法制备微液滴的过程中，在确定两相流速后能够剪切得到粒径均一的微液滴，由于plateau-rayleigh不稳定性的存在，不可避免地会有粒径较小的卫星液滴伴随产生。卫星液滴往往被认为是杂质的存在，此时，收集所得微液滴的粒径均一性较差，无法满足单分散结果的要求。

3、为了制备单分散微液滴，设计开发能够准确使目标主要微液滴与卫星液滴分离的微流控芯片是必需的。目前，用于分离卫星液滴的微流控芯片设计主要有：(1)利用光化学诱导双向电泳(optically induced dielectrophoresis)来实现微流控芯片中主液滴和卫星液滴的主动分离，但该方法操作方法复杂且需要仪器的精密度较高；(2)采用双t型联合微通道设计来控制微液滴的生成和卫星液滴的分离，连续分离主要液滴和卫星液滴，但是该方法只能在连续相和分散相低流速下能够有较高的分离效率，且因为采用t型结构产生微液滴，微液滴的产生速率较慢；(3)使用确定性横向位移(deterministic lateraldisplacement，dld)阵列设计来分离主液滴和卫星液滴，该方法具有很高的分离率，但该方法流道设计复杂，对芯片加工的工艺要求较高，难以实现阵列化使用，且分离的通量很低，无法在大流速下进行卫星液滴的分离。

4、综上，开发设计一个结构简单、易操作且分离卫星液滴效率稳定的微流控芯片，对大批量制备单分散微液滴/微球具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可分离卫星液滴的微流控芯片、阵列组合及其应用。本发明微流控芯片通过多种不同方式使分散相和两股连续相在十字型流动聚焦结构处汇聚后产生适当的流速差，在控制不同粒径微液滴生成的同时，可实现主要液滴和卫星液滴的自动分离。与现有的卫星液滴分离方式相比，本发明微流控芯片具有结构简单，易操作和分离效率更为稳定的优点，并且可适用于低流速及高流速下的卫星液滴分离。此外，本发明微流控芯片更有利于阵列化组合使用，可实现更高流量的卫星液滴分离，对大批量制备单分散微液滴具有积极意义。

2、本发明的具体技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种可分离卫星液滴的微流控芯片，包括：分散相通道，低流速连续相通道，高流速连续相通道，十字型流动聚焦结构，分离通道，卫星液滴收集通道，微液滴收集通道。

4、具体地：

5、所述十字型流动聚焦结构的四端流道分别与分散相通道，低流速连续相通道，高流速连续相通道和分离通道连接，且分散相通道与分离通道相向设置；所述低流速连续相通道中流体的流速小于高流速连续相通道中流体的流速。

6、此外，所述卫星液滴收集通道连接于分离通道的中间段，且卫星液滴收集通道与低流速连续相通道位于分离通道的同一侧，所述微液滴收集通道连接于分离通道的末端。

7、在本发明的微流控芯片中，分散相通道，低流速连续相通道和高流速连续相通道于十字型流动聚焦结构处汇聚，通过控制分散相与两股连续相的流速差，可在十字型流动聚焦结构处剪切产生微液滴并可以准确控制生成微液滴粒径大小，微液滴形成后最终于微液滴收集通道处排出。然而，在微液滴的形成过程中，更小粒径的卫星液滴的产生不可避免。为了使微液滴与卫星液滴自动分离，本发明团队进行了一系列的尝试，发现将两股连续相在十字型流动聚焦结构处的流速差异化，可使卫星液滴在分离通道中自动与微液滴分离。经分析其原因在于：由于两股连续相的流速不一致，剪切液滴时液滴两端的剪切应力是不一致的，主要液滴(即微液滴)和卫星液滴会往剪切应力小的(低流速连续相通道所在侧)一边偏移，由于主要液滴体积较大，卫星液滴体积较小，两者在剪切力的作用下，卫星液滴的偏移程度会更大，因此主要液滴仍可基本保持在分离通道的中间传输，而卫星液滴则会沿着分离通道靠近低流速连续相通道的一侧面贴壁传输，这种贴壁传输使得卫星液滴在分离通道中保持相对固定的位置，而不会随着主要液滴的运动而改变相对位置。最终主要液滴会顺利被输送至微液滴收集通道处，得到单分散的主要液滴。而卫星液滴最终会被传输至卫星液滴收集通道(位于分离通道靠近低流速连续相通道一侧)处，从而实现自动分离。

8、通过本发明的上述结构优化，与现有的卫星液滴分离方式相比，具有结构简单，易操作和分离效率更为稳定的特点，并且本发明微流控芯片可适用于低流速及高流速下的卫星液滴分离，对大批量制备单分散微液滴具有十分重要的意义。

9、可选地，所述低流速连续相通道与高流速连续相通道选自以下方案之一：

10、方案一：所述低流速连续相通道与高流速连续相通道共用一个连续相注入口，通道宽度相同，低流速连续相通道的长度大于高流速连续相通道的长度。

11、方案二：所述低流速连续相通道与高流速连续相通道共用一个连续相注入口，通道长度相同，低流速连续相通道的宽度小于高流速连续相通道的宽度。

12、方案三：所述低流速连续相通道设有独立的低流速连续相注入口，高流速连续相通道设有独立的高流速连续相注入口，通道宽度和长度相同，低流速连续相注入口的流速小于高流速连续相注入口的流速。

13、为了实现两股连续相流体在十字型流动聚焦结构处产生流速差，本发明提供了上述三种方案，即通过改变微通道的长度、宽度或两个注射泵单独控制流速来实现两股连续相流速不一致。具体地：

14、方案一中，两股连续相在十字型流动聚焦结构处将分散相剪切为微液滴并伴随卫星液滴产生，由于低流速连续相通道长度较长，该端流阻较大，使得产生的卫星液滴两端受力不均，倾向于往高流阻壁端偏移，从而与主要液滴分离。方案二中，宽度更窄的低流速连续相通道的一端流阻较大，从而起到与方案一种类似的效果。方案三中，直接通过两个连续相注入口(即两个注射泵)单独控制两股连续相的流速，从而实现与方案一/二类似的效果。

15、作为优选：

16、方案一中：所述低流速连续相通道与高流速连续相通道的长度比为1.1-3∶1；分散相通道的分散相注入口处的分散相流速与所述连续相注入口处的连续相流速比为1∶3-4。进一步优选，方案一中：所述低流速连续相通道的末段流道呈迂回弯曲状(该迂回弯曲状构成长度差异)。

17、方案二中：所述低流速连续相通道与高流速连续相通道的宽度比为1∶1.5-5；分散相通道的分散相注入口处的分散相流速与所述连续相注入口处的连续相流速比为1∶2-5。

18、方案三中：所述低流速连续相注入口处与高流速连续相注入口处的流速比为1∶2-5；分散相通道的分散相注入口处的分散相流速与低流速连续相注入口处和高流速连续相注入口处的连续相总流速比为1∶2-8。

19、需要强调的是，为了进一步确保主要液滴在两端不同剪切应力下仍基本沿分离通道中心线传输而卫星液滴贴壁传输，需要严格控制两股连续相以及分散相之间的流速比(若流速差异控制不当，则容易导致卫星液滴偏移程度不够或主要液滴也发生严重偏移)。经本发明团队反复研究，最终针对三种方案分别获得了上述优化限定条件，在上述范围下可确保主要液滴与卫星液滴的高效分离。

20、作为优选，所述十字型流动聚焦结构的四端流道的宽度不大于分散相通道、低流速连续相通道、高流速连续相通道和分离通道的宽度。

21、十字型流动聚焦结构分别与分散相通道、两个连续相通道和分离通道相连，十字型流动聚焦结构流道的宽度决定了能够稳定剪切出液滴大小的范围。

22、作为优选，所述卫星液滴收集通道的数量为多条，且相邻卫星液滴收集通道之间的分离通道上还设有用于辅助分离不同粒径卫星液滴的连续相支通道；所述连续相支通道位于卫星液滴收集通道的对侧。

23、在前述方案基础之上，本发明可选择性地根据情况在分离通道方向下依次设有多条卫星液滴收集通道，并且在相邻两条卫星液滴收集通道之间的分离通道上额外增加连续相支通道。上述设计的作用在于可依次分离不同粒径的卫星液滴，在十字型流动聚焦结构处将分散相剪切为微液滴的同时可能会伴随不同粒径大小卫星液滴的产生，本发明团队发现在此情况下，仅靠两股连续相的单次流速差异难以彻底分离不同粒径的卫星液滴。因此，根据具体情况在分离通道上设计连续相支通道(通有额外的连续相)，可重新调节分离通道中主要液滴/卫星液滴两端的剪切应力差异，从而可在确保主要液滴仍基本沿分离通道中线传输的前提下依次使不同粒径的卫星液滴贴壁传输并实现分离，经过上述优化后，可基本实现卫星液滴的100％分离。

24、进一步优选，所述连续相支通道的连续相支通道注入口处的流速与连续相注入口的总流速的流速比为1∶1-5。

25、设计连续相支通道的主要目的是为了使在分离流道中卫星液滴与微液滴再次两端受力不平衡而发生偏移，利于卫星液滴进一步被分离，偏移的程度与连续相支通道与连续相注入口总流速之比有关，比例越大偏移程度越大；连续相支通道注入口处的流速与连续相注入口的总流速的流速比为1∶1-5时，能够使卫星液滴完全分离且微液滴正常进入到收集通道。流速比小于1∶1时，可能会造成卫星液滴偏移程度不够，导致分离效果不佳；流速比大于1∶5时，连续相支通道内流体进入分离通道流速过快，可能会导致主要液滴分裂，进一步影响液滴粒径均一性。

26、作为优选，所述分离通道的底部靠近卫星液滴收集通道的所在侧设有台阶，所述台阶的高度为分离通道深度的1/4-1/3，宽度为分离通道宽度的1/5-1/4。

27、本发明团队在试验中发现，在分离通道与卫星液滴收集通道的衔接处，由于卫星液滴收集通道的存在，主要液滴在流经该衔接处时会轻微偏离原有轨道而有向卫星液滴收集通道一侧靠近的倾向，如此会增加主要液滴流入卫星液滴收集通道的风险。为此，本发明团队在研发期间尝试缩小卫星液滴收集通道宽度(小于主要液滴)或在分离通道与卫星液滴收集通道的衔接处设置挡片以阻止主要液滴流入，但结果发现又会增加主要液滴堵塞卫星液滴收集通道入口的风险，从而影响卫星液滴的分离。最终，本发明采取的解决方案是沿分离通道长度方向在其一侧底部设置台阶。该台阶的设置可阻止主要液滴在流动过程中向卫星液滴收集通道所在侧偏移的同时不影响卫星液滴的分离(主要液滴的粒径较大，其会受到台阶明显的限位作用而无法靠近卫星液滴收集通道入口，因此可确保主要液滴与该入口之间保留间隙。而卫星液滴的粒径远小于主要液滴，因此几乎不受台阶的限位，并且通过对台阶宽度的设计可确保前述间隙足够供卫星液滴粒径通往卫星液滴收集通道)。进一步地，本方案中台阶高度也是精心设计的。若台阶高度过高，则与分离通道底部其余区域的高度差较大，此时容易导致台阶区域的流阻大于其余区域，从而使得卫星液滴重新向分离通道中心线偏移，因此需要确保两个区域的高度差不能过大；反之，若台阶高度过低，则又无法对主要液滴形成足够的限位作用。最终，将台阶尺寸控制在本发明上述尺寸范围之内，可避免上述风险。

28、作为优选，所述卫星液滴收集通道与分离通道的下游的夹角为30-60°；所述连续相支通道与分离通道的上游的夹角为30-60°。

29、卫星液滴收集通道与分离通道的夹角会影响卫星液滴的分离的效果。夹角过小时，低流速情况下主要液滴在移动到分离流道会有可能进入到分离流道，高流速情况下主要液滴移动到分离流道部分主要液滴会碰撞夹角结构，分裂为两个液滴；夹角过大时，无论流速高低，只会有部分卫星液滴进入到分离流道；因此，卫星液滴收集通道与分离通道的下游的夹角为30-60°时，卫星液滴能够较好分离。

30、连续相支通道与分离通道的上游的夹角会影响卫星液滴的偏移程度。夹角过小时，连续相支通道内流体对卫星液滴的偏移效果减弱，需要更大的连续相支通道注入速度才能使卫星液滴达到想要的偏离效果；夹角过大时，连续相支通道注入速度小达不到使卫星液滴偏离的效果，注入速度大时会时主要液滴在流道变形甚至使液滴分裂；因此，连续相支通道与分离通道的下游的夹角为30-60°时，卫星液滴能够较好分离。

31、作为优选，所述低流速连续相通道、高流速连续相通道和分散相通道上的部分流道呈迂回弯曲状。

32、流体从注入口进入到流道中时流速是不稳定的，为了保证流体在十字型流动聚焦结构流道中是稳定且连续的，所以通过增加流道的长度来增加流道内部流阻，以稳定流道内流体的流速。而将流道设计为迂回弯曲状，可以保证在有限空间内达到所需流道长度以稳定流道内流体流阻。

33、第二方面，本发明提供了一种可分离卫星液滴的微流控芯片阵列组合，包括多个上述微流控芯片，多个微流控芯片之间共用卫星液滴收集通道和微液滴收集通道。

34、由于本发明微流控芯片的结构相对简单，可将体积设计在较小范围，因此更有利于将其阵列化组合。例如，可将至少两个微流控芯片组合构成一个阵列组合(可共用一个卫星液滴收集通道和微液滴收集通道)，在进行阵列化后，可实现更高流量的卫星液滴分离，以获得更多单分散的微液滴。

35、第三方面，本发明提供了上述微流控芯片或微流控芯片阵列组合在制备微液滴并分离卫星液滴中的应用。

36、与现有技术对比，本发明的有益效果是：

37、(1)本发明微流控芯片通过多种不同方式使分散相和两股连续相在十字型流动聚焦结构处汇聚后产生适当的流速差，在控制不同粒径微液滴生成的同时，可使主要液滴基本沿分离通道中心线传输而卫星液滴则沿侧壁传输，从而实现自动分离效果。

38、(2)与现有的卫星液滴分离方式相比，本发明微流控芯片结构简单，无复杂流道设计(基本适用所有微流控芯片材质(pdms、pmma、玻璃)加工)，该结构在微液滴形成后即可将卫星液滴与主要液滴的移动路径分离，相比其他结构，无需过长的分离流道，可减小芯片整体尺寸，降低芯片成本。本发明微流控芯片易操作，分离效率更为稳定，并且本发明微流控芯片可适用于低流速及高流速下的卫星液滴分离。

39、(3)本发明可选择性地根据情况在分离通道方向下依次设有多条卫星液滴收集通道，并且在相邻两条卫星液滴收集通道之间的分离通道上额外增加连续相支通道。上述设计有利于依次分离不同粒径的卫星液滴，进一步提升卫星液滴的分离率，可基本实现100％分离。

40、(4)本发明微流控芯片更有利于阵列化组合使用，可实现更高流量的卫星液滴分离，有利于以更高效地获得更多单分散微液滴，对大批量制备单分散微液滴具有积极意义。